Óxido de hierro (III)

El óxido de hierro(III) u óxido férrico es el compuesto inorgánico de fórmula Fe₂O₃. Es uno de los tres óxidos principales de hierro, los otros dos son el óxido de hierro (II) (FeO), que es raro; y óxido de hierro (II, III) (Fe₃O₄), que también se encuentra naturalmente como el mineral magnetita. Como el mineral conocido como hematita, el Fe₂O₃ es la principal fuente de hierro para la industria siderúrgica. Fe₂O₃ es fácilmente atacado por ácidos. El óxido de hierro (III) a menudo se denomina herrumbre y, hasta cierto punto, esta etiqueta es útil porque la herrumbre comparte varias propiedades y tiene una composición similar; sin embargo, en química, el óxido se considera un material mal definido, descrito como óxido férrico hidratado.

Estructura

Fe₂O₃ se puede obtener en varios polimorfos. En el principal, α, el hierro adopta una geometría de coordinación octaédrica. Es decir, cada centro de Fe está unido a seis ligandos de oxígeno. En el polimorfo γ, parte del Fe se asienta en sitios tetraédricos, con cuatro ligandos de oxígeno.

Fase alfa

α-Fe₂O₃ tiene el romboedro, corindón (α-Al₂O₃) estructura y es la forma más común. Ocurre naturalmente como el mineral hematita que se extrae como el principal mineral de hierro. Es antiferromagnético por debajo de ~260 K (temperatura de transición de Morin) y exhibe un ferromagnetismo débil entre 260 K y la temperatura de Néel, 950 K. Es fácil de preparar usando descomposición térmica y precipitación en fase líquida. Sus propiedades magnéticas dependen de muchos factores, p. presión, tamaño de partícula e intensidad del campo magnético.

Fase gamma

γ-Fe2O3 tiene una estructura cúbica. Es metaestable y se convierte de la fase alfa a altas temperaturas. Ocurre naturalmente como el mineral maghemita. Es ferromagnético y encuentra aplicación en cintas de grabación, aunque las partículas ultrafinas de menos de 10 nanómetros son superparamagnéticas. Se puede preparar por deshidratación térmica de óxido-hidróxido de hierro gamma (III). Otro método implica la oxidación cuidadosa del óxido de hierro (II, III) (Fe₃O₄). Las partículas ultrafinas se pueden preparar por descomposición térmica de oxalato de hierro (III).

Otras fases sólidas

Se han identificado o reclamado varias otras fases. La fase β está centrada en el cuerpo cúbico (grupo espacial Ia3), es metaestable y, a temperaturas superiores a 500 °C (930 °F), se convierte en fase alfa. Se puede preparar por reducción de hematites con carbón, pirólisis de solución de cloruro de hierro (III) o descomposición térmica de sulfato de hierro (III).

La fase épsilon (ε) es rómbica y muestra propiedades intermedias entre alfa y gamma, y puede tener propiedades magnéticas útiles aplicables para propósitos tales como medios de grabación de alta densidad para el almacenamiento de big data. La preparación de la fase épsilon pura ha demostrado ser un gran desafío. El material con una alta proporción de fase épsilon se puede preparar por transformación térmica de la fase gamma. La fase épsilon también es metaestable, transformándose a la fase alfa entre 500 y 750 °C (930 y 1380 °F). También se puede preparar por oxidación del hierro en un arco eléctrico o por precipitación sol-gel a partir de nitrato de hierro (III). La investigación ha revelado óxido de hierro épsilon (III) en los antiguos esmaltes cerámicos chinos Jian, lo que puede proporcionar información sobre las formas de producir esa forma en el laboratorio.

Además, a alta presión se afirma una forma amorfa.

Fase líquida

Se espera que

Fe₂O₃ fundido tenga un número de coordinación de cerca de 5 átomos de oxígeno por cada átomo de hierro, según las mediciones de hierro líquido sobreenfriado con una deficiencia leve de oxígeno gotitas de óxido, donde el superenfriamiento evita la necesidad de altas presiones de oxígeno requeridas por encima del punto de fusión para mantener la estequiometría.

Óxidos de hierro (III) hidratados

Existen varios hidratos de óxido de hierro (III). Cuando se agrega álcali a soluciones de sales solubles de Fe(III), se forma un precipitado gelatinoso de color marrón rojizo. Esto no es Fe(OH)₃, sino Fe₂O₃·H₂O (también escrito como Fe(O)OH). También existen varias formas del óxido hidratado de Fe (III). La lepidocrocita roja (γ-Fe(O)OH) se presenta en el exterior de los rusticles, y la goethita naranja (α-Fe(O)OH) se presenta internamente en los rusticles. Cuando se calienta Fe₂O₃·H₂O, pierde su agua de hidratación. El calentamiento adicional a 1670 kelvin convierte Fe₂O₃ en Fe₃O₄ negro (Fe^II Fe^III₂O₄), que se conoce como el mineral magnetita. Fe(O)OH es soluble en ácidos, dando [Fe(H₂O)₆]³⁺. En álcali acuoso concentrado, Fe₂O₃ da [Fe(OH)₆]³⁻.

Reacciones

La reacción más importante es su reducción carbotérmica, que da hierro utilizado en la fabricación de acero:

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Otra reacción redox es la reacción extremadamente exotérmica de la termita con el aluminio.

2 Al + Fe₂O₃ → 2 Fe + Al₂O₃

Este proceso se usa para soldar metales gruesos, como rieles de vías de tren, utilizando un recipiente de cerámica para canalizar el hierro fundido entre dos secciones del riel. La termita también se usa en armas y en la fabricación de herramientas y esculturas de hierro fundido a pequeña escala.

La reducción parcial con hidrógeno a unos 400 °C produce magnetita, un material magnético negro que contiene tanto Fe(III) como Fe(II):

3 Fe₂O₃ + H₂ → 2 Fe₃O₄ + H₂O

El óxido de hierro (III) es insoluble en agua pero se disuelve fácilmente en ácidos fuertes, p. ácidos clorhídrico y sulfúrico. También se disuelve bien en soluciones de agentes quelantes como EDTA y ácido oxálico.

Al calentar óxidos de hierro (III) con otros óxidos metálicos o carbonatos se obtienen materiales conocidos como ferratos (ferrato (III)):

ZnO + Fe₂O₃ → Zn(FeO₂)₂

Preparación

El óxido de hierro (III) es un producto de la oxidación del hierro. Se puede preparar en el laboratorio electrolizando una solución de bicarbonato de sodio, un electrolito inerte, con un ánodo de hierro:

4 Fe + 3 O₂ + 2 H₂O → 4 FeO(OH)

El óxido de hierro(III) hidratado resultante, escrito aquí como FeO(OH), se deshidrata alrededor de los 200 °C.

2 FeO(OH) → Fe₂O₃ + H₂O

Usos

Industria del hierro

La abrumadora aplicación del óxido de hierro (III) es como materia prima de las industrias del acero y el hierro, p. la producción de hierro, acero y muchas aleaciones.

Pulido

Un polvo muy fino de óxido férrico se conoce como "colorete de joyería", "colorete rojo" o simplemente colorete. Se utiliza para dar el pulido final a joyas y lentes metálicos, e históricamente como cosmético. El colorete se corta más lentamente que algunos pulimentos modernos, como el óxido de cerio (IV), pero todavía se usa en la fabricación de productos ópticos y en joyería por el acabado superior que puede producir. Al pulir el oro, el colorete mancha ligeramente el oro, lo que contribuye a la apariencia de la pieza terminada. El colorete se vende en forma de polvo, pasta, mezclado con paños para pulir o barra sólida (con un aglutinante de cera o grasa). Otros compuestos de pulido también se denominan a menudo "rouge", incluso cuando no contienen óxido de hierro. Los joyeros eliminan el colorete residual de las joyas mediante el uso de limpieza ultrasónica. Los productos vendidos como "compuestos para desbastar" a menudo se aplican a una correa de cuero para ayudar a obtener un borde afilado en cuchillos, navajas de afeitar o cualquier otra herramienta afilada.

Pigmento

El óxido de hierro (III) también se usa como pigmento, bajo los nombres "Pigment Brown 6", "Pigment Brown 7" y "Pigment Red 101". Algunos de ellos, por ej. Pigment Red 101 y Pigment Brown 6 están aprobados por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) para su uso en cosméticos. Los óxidos de hierro se utilizan como pigmentos en composites dentales junto con los óxidos de titanio.

La hematita es el componente característico del color de pintura sueco Falu red.

Grabación magnética

El óxido de hierro (III) era la partícula magnética más común utilizada en todos los tipos de medios de almacenamiento y grabación magnéticos, incluidos los discos magnéticos (para el almacenamiento de datos) y la cinta magnética (utilizada en la grabación de audio y video, así como en el almacenamiento de datos). Su uso en discos de computadora fue reemplazado por la aleación de cobalto, lo que permitió películas magnéticas más delgadas con una mayor densidad de almacenamiento.

Fotocatálisis

El

α-Fe₂O₃ se ha estudiado como fotoánodo para la oxidación solar del agua. Sin embargo, su eficacia está limitada por una longitud de difusión corta (2-4 nm) de portadores de carga fotoexcitados y una recombinación rápida subsiguiente, lo que requiere un gran sobrepotencial para impulsar la reacción. La investigación se ha centrado en mejorar el rendimiento de oxidación del agua de Fe₂O₃ mediante nanoestructuración, funcionalización de superficies o mediante el empleo de fases cristalinas alternativas como β-Fe₂ O₃.

Medicina

La loción de calamina, utilizada para tratar el picor leve, se compone principalmente de una combinación de óxido de zinc, que actúa como astringente, y aproximadamente un 0,5 % de óxido de hierro (III), el ingrediente activo del producto, que actúa como antipruriginoso. El color rojo del óxido de hierro (III) también es el principal responsable del color rosado de la loción.